Рост бактерий подчиняется времени и зависит от размера среды

Исследователи из Университета Дьюка, работая с синтетической генной цепью, заставляющей бактерии расти в предсказуемом кольцевом узоре, обнаружили недооценённый фактор естественного формирования паттернов: время.

В серии экспериментов, опубликованных 8 октября 2013 года в журнале Molecular Systems Biology, профессор биомедицинской инженерии Линчон Ю и его коллеги показали, что их искусственная генная цепь работает как механизм отсчёта времени. Она запускает предсказуемый рост в виде кольца, который адаптируется к размеру окружающей среды.

Неожиданный результат даёт потенциальное объяснение тому, как органы, такие как сердце и лёгкие, "знают", когда остановить рост. Он противоречит устоявшимся теориям, одна из которых восходит к пионеру информатики Алану Тьюрингу. Открытие также закладывает основу для создания паттернированных бактерий как биологического каркаса для новых материалов, например, металлических плёнок, имеющих потенциальное применение в энергетике.

"Повсюду в природе существуют паттерны, многие из них очень красивы и даже вдохновляют. Наша работа добавляет новое измерение к общим принципам формирования паттернов", — сказал Ю.

Идеи Тьюринга десятилетиями направляли теории формирования паттернов в биологии. Он предположил, что биологические паттерны возникают из взаимодействия химических веществ, которые он назвал "морфогенами". Они инициируют и направляют паттерны, включая или выключая определённые процессы в зависимости от своей концентрации в конкретном месте. В теоретическом трактате 1952 года Тьюринг с помощью математики показал, как эти морфогены могут перемещаться в пространстве, создавая паттерны, похожие на узоры на шкурах животных или формах листьев.

Однако, как и устойчивые мифы, теории могут укореняться. Ю и его коллеги озадачились, когда созданная ими для проверки модели Тьюринга синтетическая генная цепь не дала ожидаемого паттерна роста.

Используя методы молекулярной биологии, они запрограммировали обычную лабораторную бактерию E. coli на производство двух молекул:

• Одна служила сигналом "включения", распространяющимся по всей растущей колонии.
• Другая служила сигналом "выключения", который активировался при увеличении концентрации сигнала "включения".

Исследователи также модифицировали бактерии для производства флуоресцентных цветов, чтобы наблюдать за формированием паттернов. Но по мере роста колоний возникающие паттерны вели себя не так, как предсказывалось. Они были гораздо меньше, чем ожидала команда, исходя из скорости диффузии сигнала "включения".

Чтобы разгадать загадку, учёные добавили в камеру роста высокую концентрацию сигнала "включения", буквально затопив им бактерии. Бактерии сформировали тот же характерный кольцевой паттерн за то же время, что показало: они реагируют не на изменение концентрации сигнала "включения" в пространстве.

Вместо этого исследователи пришли к выводу, что сигнал "включения" служит временной меткой. Команда создала математическую модель этого временного механизма и предсказала, как клетки отреагируют на изменение размера камеры роста.

"Служа временной меткой, морфоген-сигнал "включения" позволяет системе чувствовать и реагировать на размер среды. Чем больше площадь, тем больше времени требуется морфогену, чтобы накопиться до концентрации, достаточной для запуска формирования паттерна. Таким образом, большая площадь приведёт к формированию большего кольцевого паттерна", — пояснил Ю.

Последующие эксперименты подтвердили модель и предоставили простой пример того, как растущие органы могут чувствовать размер своей среды и понимать, когда пора остановить рост. Это потенциально решает давнюю загадку в биологии развития.

Ю и его коллеги планируют использовать искусственную генную цепь для создания более сложных биологических паттернов — как для дальнейшего изучения общих принципов формирования паттернов, так и для использования в качестве каркасов для создания новых материалов, таких как тонкие металлические плёнки для применения в энергетике.